Apollo, Spaceshuttle, Melissa und Google: Fallstudien in

Transcrição

Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006)
Apollo, Spaceshuttle, Melissa und Google:
Fallstudien in Verlässlichkeit und Computermissbrauch
Das Apollo-Programm (1960–1972)
Teil 3: Die Apollo-Missionen
Prof. Dr. Felix Freiling
Vorlesung im Sommersemester 2006
Universität Mannheim
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Ankündigungen
• Was in dieser Vorlesung leider nicht besprochen werden kann (aber in der nächsten):
– Weitere Details zum Apollo-Computer: verb/noun-System [Tom88, p. 57ff].
– Entwicklung der Apollo-Software [Tom88, p. 40ff].
– Brennstoffzellen zur Erzeugung elektrischer Energie [All00, p. 161].
– Bahnberechnungen/Bahnübergänge [All00, Ch. 4].
– Rolle von Simulatoren.
– Lunar Roving Vehicle [All00, Ch. 6.5].
• Literatur lesen!
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Rückblick und Ausblick
• Apollo-Missionsplanung: späte Entscheidung für LOR.
• Überblick über Apollo-Systeme.
– Kommandokapsel (Command Module, CM).
– Service-Modul (Service Module, SM).
• Heute:
– Mondlandefähre (Lunar Module, LM).
– Die Apollo 1-Katastrophe.
– Schnelldurchlauf von Apollo 7 bis Apollo 17.
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Buchempfehlung
Michael Light: Full Moon, Aufbruch zum Mond. Neuauflage 2002, nur ca. 20 EUR.
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Lunar Module (LM)
• Erstes wirkliches Raumschiff (ausschließlich im Weltall-Vakuum benutzt).
• LM war Problemkind von Apollo:
– Ein Jahr verspätet fertig.
– Hauptprobleme:
∗ Gewicht!
∗ Antriebe für Landung und Start (müssen 100%ig funktionieren).
• LM war vermutlich die größte technische Herausforderung an die Ingenieure.
• Idee: Trennung von Landungs- und Wiederaufstiegsmodulen.
• Gesamthöhe: 6, 99 m, Diagonale zwischen Landebeinen: 9, 45 m, Startgewicht: 14, 5 Tonnen
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LM Designs: 1962 bis 1967
Quelle: http://users.specdata.com/home/pullo/
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Entwicklung [All00, Ch. 6]
• Erste Entwürfe: wie ein Hubschrauber mit großen Glasflächen, damit die Piloten etwas sehen
können.
– Glas muss dick sein, wird zu schwer, zuviel Wärmeverlust.
• Radikales Umdenken erforderlich:
– Keine Sitze (wofür auch), Piloten fliegen im Stehen.
– Fenster, die “in die Kabine” abstehen für gute Sicht bei der Landung.
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Aufbau des LM
Quelle: http://www.hq.nasa.gov/office/pao/History/diagrams/apollo.html
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Details [All00, p. 192]
• Kabine hatte auf Augenhöhe Durchmesser von 2, 3 m.
– Von oben ragt der Dockingtunnel 40 cm in die Kabine.
– Von unten ragt der Raketenmotor der Aufstiegsstufe bis Kniehöhe.
– Sehr eng!
– Bei den ersten Missionen mußten die Astronauten dauernd ihre Raumanzüge anbehalten.
• Entwurf der Docking/Ausstiegsluke.
– Erste Planung: Zwei Docking-Anschlüsse: oben (für Flug zum Mond), vorne (für zweites
Docking im Mondorbit).
– Luke vorne, weil man ja beim Docking etwas sehen musste.
– Später: nur eine Docking-Luke oben (plus Deckenfenster für Sicht).
– Große, quadratische Ausstiegsluke vorne.
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Antrieb der Aufstiegsstufe
• Zuverlässigkeit des Antriebes:
– Ursprüngliches Design: 4 Tanks (2 Treibstoff, 2 Oxydator) um das Triebwerk verteilt.
– Vorteil: Treibstoff kann ausbalaciert werden, bessere Flugeigenschaften.
– Nachteil: Verlegung der Leitungen wird sehr komplex und fehleranfällig.
• Entscheidung für 2 Tanks:
– Treibstoff wiegt aber mehr als Oxydator.
– Tank muß weiter vom Schwerpunkt des Raumschiffes entfernt angebracht werden (ergibt
den charakteristischen “Auswuchs”).
– Gewichtsersparnis: 45 kg
• Wahl des Antriebes: Hypergolische Treibstoffe
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Apollo 17 LM (NASA #AS17-149-22857)
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Details zur Landung
• Raketenmotor der Landungsstufe bremst das LM ab, LM fällt auf niedrigeren Orbit.
– Erneutes Feuern des Motors bringt LM auf einen Landekurs.
– Landung konnte vollständig vom Computer geflogen werden.
• Ablauf:
– Flug gekippt nach “vorne”: Wahl des Landegebietes.
– Drehung auf den Rücken.
– Abbremsen des LM auf Geschwindigkeit 0.
– Aufstellen des LM durch RCS.
– Anflug mit Sicht durch die Piloten nach vorne (Auswahl des Landepunktes).
– Motor aus, sobald Fühler den Boden berühren.
• Während der Landung fliegt der Mission Commander.
– Lunar Module Pilot als Backup und Datenfütterer.
– Lunar Landung Training Vehicle zum Testen auf der Erde (sehr instabil): the flying bedstead.
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Lunar Landing Training Vehicle
Lunar Landing Training vehicle piloted by Neil Armstrong during training on June 16, 1969. Source: NASA #S69-37036
Apollo Missionen (Überblick)
• Im Herbst 1965 legt NASA die Missionsplanung fest:
– A- und B-Missionen: unbemannte Tests der Saturn V
– C-Missionen: bemannte Tests der Kommandoeinheit.
– D- und E-Missionen: bemannte Tests der gesamten Apollo-Konfiguration inklusive LM in
Erdumlaufbahn.
– F-Missionen: Generalprobe der Mondlandung im Mondorbit.
– G-Missionen: bemannte Mondlandungen.
– ...
– J-Missionen: wissenschaftliche Erforschung des Mondes.
• Methodische, inkrementelle Schritte; Standard bei Flugzeugtests.
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Unbemannte Tests
• AS-201 (Apollo/Saturn) am 26. Februar 1966.
– Zweistufige Saturn mit CM und SM.
– Test der Systeme und der strukturellen Integrität.
• AS-202 am 25. August 1966:
– Ähnlich wie AS-201, insbesondere aber Test des Hitzeschildes.
• AS-203 am 5. Juli 1966:
– Test der dritten Stufe im Orbit.
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Apollo 1
• Geplant für Februar 1967: erster bemannter Test der Apollo/Saturn-Konfiguration.
• Am 27. Januar 1967 entsteht bei einem simulierten Countdown ein Feuer in der
Kommandokapsel.
– Kapsel ist mit reinem Sauerstoff gefüllt.
– Funken durch Kurzschluß führt zu Schwelbrand von (sonst) nur schwer brennbaren
Materialien.
– Virgil Grissom, Edward White, und Roger Chaffee ersticken kurz nach Ausbruch des Feuers.
• Ausführlicher Apollo 204 Review Board Report:
http://www.hq.nasa.gov/office/pao/History/Apollo204/as204report.html
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Apollo 1: Analyse
• Katastrophe entstand aus dem Zusammenspiel mehrere Faktoren:
– Druckkabine gefüllt mit reinem Sauerstoff.
– Entflammbare Stoffe in der Kapsel.
– Verletzliche Drähte mit Strom.
– Verletzliche Rohre des Kühlsystems (enthält ebenfalls entflammbares Kühlmittel).
– Unzureichende Fluchtmöglichkeiten für die Besatzung.
– Generell unzureichende Rettungsmöglichkeiten.
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Folgen von Apollo 1 [All00, p. 154f]
• Nicht nur technische Unzulänglichkeiten werden moniert:
– Management und Entwicklung haben bestimmte Risikofaktoren nicht ernst genug
genommen (im Angesicht des nahenden Endes der Dekade).
– Feuerrisiken in einer reinen Sauerstoffumgebung mit Überdruck (darin brennt fast alles)!
– Fehlendes Konfigurationsmanagement.
∗ Die Kapsel war so oft verändert worden, dass niemand mehr genau wusste, in welcher
Konfiguration sie war!
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Folgen von Apollo 1 [All00, p. 154f]
• Tragödie führt zu einer kompletten Neubetrachtung aller Apollo-Komponenten, inklusive der
Mondlandefähre.
– Entflammbare Materialien so weit möglich entfernt.
– Testprozeduren wurden verschärft.
– Einstiegsluke wird komplett neu entworfen.
∗ Vorher kombinierte Luke: ein Teil öffnet nach innen, ein Teil nach aussen.
∗ Nachher: eine Luke mit Notöffnung, die nach aussen öffnet.
– Arbeitsverhältnis zwischen Astronauten und Ingenieuren wird neu definiert.
• Apollo 1 verstärkt am Ende die Hingabe aller Beteiligten.
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Apollo 1 Crew
Apollo 1 prime crew: White, Grissom, Chaffee. Source: NASA #S66-30236
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Apollo 1 CM (NASA #S67-21295)
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Weitere unbemannte Tests
• Apollo 4 am 9. November 1967:
– Test der kompletten dreistufigen Saturn/Apollo-Konfiguration (ohne LM) im Orbit.
– Fotos von der Erde durch eine automatische Kamera im CM.
• Apollo 5 am 22. Januar 1968:
– Erster Test des LM im Orbit mit einer zweistufigen Saturn V.
• Apollo 6 am 4. April 1968:
– Letzter Test der vollständigen Saturn/Apollo-Konfiguration.
– Probleme mit instabilen Antrieben (pogo).
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Hitzeschild Apollo 4
Charred heat shield of Apollo 4 CM. Source: NASA #S67-49447
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Apollo 7
• 11.–22. Oktober 1968 (Schirra, Eisele, Cunningham).
– Erster bemannte Raumflug nach dem Apollo 1-Unglück.
– Test der gesamten Apollo-Konfiguration (ohne LM) für 10 Tage im Orbit mit einer
zweistufigen Saturn.
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Apollo 7
Astronauts Schirra and Eisele seen in first live television transmission on Oct 14, 1968. Source: NASA #S68-50713.
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Apollo 8 [All00, p. 163f]
• Startzeitplan kommt in Schwierigkeiten:
– Apollo 8 sollte das LM im Erdorbit testen, aber noch war kein funktionsfähiges LM verfügbar.
– Komplexität der Missionen läßt eine engere Startfolge nicht zu.
– Nachdem Apollo 7 alle sonstigen Systeme genug getestet hatte, was blieb für Apollo 8 noch
zu tun?
• Idee: Apollo 8 ist “fit für den Mond”.
– Die Möglichkeit der Mondumrundung in Apollo 8 einbauen, falls Start gut verläuft.
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Entscheidung für den Mond
• Im August 1968 waren viele NASA-Manager (auch Administrator Webb) skeptisch bezüglich
einem direkten Mondflug mit Apollo 8.
– Ein weiterer Fehlschlag nach dem Apollo 1-Feuer hätte das gesamte Programm scheitern
lassen können.
– Funktion des LM als Rettungsboot für das CSM war in die Sicherheitsplanungen von Anfang
an einbezogen worden.
• Im September 1968 kommen die Russen “zur Hilfe”:
– Die Sonde Zond 5 umrundet ein Mal den Mond und kehrt wohlbehalten zur Erde zurück.
– An Bord: zwei Schildkröten.
• Von Schildkröten zu Kosmonauten ist der Schritt nicht so groß.
– Eine erste Mondumrundung durch die Russen hätte die amerikanischen Mondlandungen in
den Schatten gestellt.
– NASA entscheidet sich für den Mond.
Erster Flug zum Mond
• Apollo 8: 21. bis 27. Dezember 1968
– Am 23. Dezember verlassen Frank Borman, Jim Lovell und Bill Anders als erste Menschen
das Gravitationsfeld der Erde.
– Erster Start der kompletten Saturn V/Apollo-Konfiguration.
– Spektakuläre Mondumrundung.
– Kartierung möglicher Landeplätze.
• TV-Übertragung am Weihnachtsabend 1968 aus einer Mondumlaufbahn.
– 1968: Vietnam-Krieg eskaliert, Martin Luther King wird ermordet.
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Earthrise
View of rising Earth about five degrees above the Lunar horizon for Apollo 8 taken by Bill Anders. Source: NASA
#AS08-14-2383
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Sea of Tranquility
Sea of Tranquility seen by Apollo 8. The three prominent craters are Taruntis F in the lower right corner, Taruntis E in
the center, and Cauchy between the two linear features. Source: NASA #AS08-13-2344
Apollo 9
• 3. bis 13. März 1969 (McDivitt, Scott, Schweickart).
• Erster Test des LM im Erdorbit.
• Trennung, Rendezvous und Docking.
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Key Events in Apollo 9 (NASA #S69-19796)
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LM-3
Lunar Module 3 attached to Saturn V third stage in Apollo 9. Source: NASA #AS09-19-2919
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LM-3
LM-3 “Spider” in landing configuration. Note lunar surface probes extending from footpads. Source: NASA
#AS09-21-3212
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Apollo 10
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•
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•
18. bis 26. Mai 1969 (Cernan, Young, Stafford).
Flug der kompletten Saturn/Apollo-Konfiguration zum Mond.
Trennung, Rendezvous, Docking im Mondorbit.
Simulation eines Landeanfluges auf den Mond und Abbruch in einer Höhe von 9 km.
Ausführliche Beobachtung der Mondoberfläche.
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Apollo 10 (NASA #AS10-34-5112)
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Apollo 11
• 16. bis 24. Juli 1969 (Armstrong, Aldrin, Collins).
– Erste bemannte Mondlandung am 20. Juli 1969.
– “Houston, Tranquility Base here. The Eagle has landed.”
– “One small step for man, one giant leap for mankind.”
– 1/5 der Weltbevölkerung sieht zu.
– Liftoff ca. 20 Stunden später.
• Komplette Geschichte in [Cha94]:
– First stage separation: apollo11_launchclip03.mpg
– Lunar landing: apollo11landing3.mpg
– A small step for man. . . : a11v_1092338.mpg
– Magnificent desolation: a11v_1094228.mpg
– Phone call by President Nixon: apollo11_onbclip17.mpg
– Nixon greets homecomers in quarantine container: apollo11_reclip08.mpg
– Quelle: http:
//spaceflight.nasa.gov/gallery/video/apollo/apollo11/html/launch.html
• Ausführliche Videos zur Landung:
http://www.hq.nasa.gov/office/pao/History/alsj/a11/video11.html
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Apollo 12
•
•
•
•
14. bis 24. November 1969 (Conrad, Gordon, Bean).
Verweildauer auf dem Mond: ca. 30 Stunden.
Erste wissenschaftliche Erforschung der Geologie des Mondes.
Saturn V wird beim Start zwei Mal von einem Blitz getroffen (nach 36 und 52 Sekunden):
– Stromversorgung fällt aus, wird durch Backup-Batterien aufgefangen.
– Crew stellt primäre Stromversorgung wieder her.
– LM wird im Erdorbit neu ausgecheckt vor translunar injection.
• Test eines pinpoint landing: LM landet in Laufentfernung zur Surveyor 3-Sonde (auf dem
Mond gelandet 1967).
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Apollo 12 (NASA #AS12-48-7133)
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Apollo 13
• 11. bis 17. April 1970 (Lovell, Swigert, Haise).
• Wahrscheinliche Ursache des Unglücks (nach umfangreichen Tests):
– Im SM gibt es mehrere Tanks mit füssigem Sauerstoff.
– Sauerstoff wird regelmäßig “umgerührt”.
– Im Tank gibt es Heizspiralen, um Tank zu entleeren.
– Heizspiralen in einem Tank waren beim Entleeren auf der Erde zu lange eingeschaltet
gewesen.
– Isolation eines Zufuhrdrahtes zu den Quirlen vermutlich beschädigt.
– Funken beim Einschalten des Quirls.
• Rückkehr zur Erde mit LM als Rettungsboot (siehe Film).
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Damaged Apollo 13 SM (NASA #AS13-59-8500)
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Grumman’s Towing Bill
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Details
Item
Quantity
Description
1
400 000 miles
$400 004.00
2
1
3
4
50 lbs
1
Tow, $4.00 1st mile, $1.00 each added
mile. Trouble call, fast service.
Battery charge, customer’s cables (road
call, +$.05 KWH)
Oxygen at $10.00/lb
Sleeping accomodation for 2, no TV,
AC, with radio, modified American plan,
with view
Additional guest in room at $8.00 per
night
Water
...
Total
$400 540.05
5
6
7
Amount
$4.05
$500.00
prepaid
$32.00
no charge
Die Protagonisten
Gene Kranz, einer der flight directors. Quelle:
http://www.cnn.com/2000/TECH/space/04/10/apollo.13.then.now/
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Die Crew
Apollo 13 crew after splashdown: Fred Haise, John Swigert, Jim Lovell (from left). Source: NASA #S270-35606
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Apollo 14
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31. Januar bis 9. Februar 1971 (Shepard, Roosa, Mitchell).
Landeplatz von Apollo 13.
Zwei moon walks mit jeweils mehr als 9 Stunden Dauer.
Golfschlag und Speerwurf von Alan Shepard.
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Apollo 14
Apollo 14 Lunar Module photographed against sun glare on lunar surface. A bright trail left in the lunar soil by the
two-wheeled Modularized Equipment Transporter (MET) leads from the LM. Source: NASA #AS14-67-9367
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Apollo 15
• 26. Juli bis 7. August 1971 (Scott, Irwin, Worden).
• Fast 3 Tage auf dem Mond.
• Erstmals dabei: lunar roving vehicle.
– Ermöglichte die Erforschung größerer Gebiete (bis zu 5 km vom Landepunkt entfernt.
– Astronauten wurden in Geologie geschult: Erforschung von Gesteinsschichten, um die
Entstehung des Mondes zu erforschen.
• Hammer und Feder-Experiment: apollo15hammer.mpg
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Apollo 15 (NASA #AS15-86-11602)
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Apollo 16
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•
•
•
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16. bis 27. April 1972 (Young, Mattingly, Duke).
71 Stunden auf dem Mond, davon 20 Stunden unterwegs.
Ken Mattingly bekommt doch noch seine Chance!
Fortbewegung auf dem Mond: One-legged kangaroo walk: apollo16boulder.mpg
Apollo 16 liftoff (gefilmt von der Kamera auf dem LRV):
http://lisar.larc.nasa.gov/MOVIES/LARGE/LV-1998-00051.mov
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Salute on Apollo 16
John Young leaps from lunar surface to salute flag. Source: NASA #AS16-113-18339. See also: apollo16salute.mpg
Apollo 17
• 7. bis 19. Dezember 1972 (Cernan, Evans, Schmitt).
• Erster Wissenschaftler auf dem Mond (Harrison Schmitt).
• 22 Stunden Exkursionszeit.
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Apollo 17
Wide angle view of Apollo 17 landing site. Source: NASA #AS17-134-20435
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Zusammenfassung
• Letzte Apollo-Landung Dezember 1972.
• Ursprünglicher Plan: Flüge bis Apollo 20, doch politischer Wind dreht sich.
– J. F. Kennedy wird 1963 erschossen.
– Johnson tritt 1968 wegen des Vietnamkrieges ab, Nixon wird Präsident.
– Nach dem Erfolg von Apollo 11 verliert der Großteil der Bevölkerung das Interesse
(Ausnahme: Apollo 13).
– 1970 beginnt der Kongress, das NASA-Budget zu kürzen.
– Ende 1970: NASA kündigt an, dass Apollo 18 bis 20 nicht stattfinden werden.
• Kürzen der Flüge eher wegen PR [All00, p. 251]:
– $25 Milliarden waren bereits in Apollo investiert.
– Alle Raketen und Raumschiffe waren bereits gebaut.
– Jeder neue Flug kostete “nur” noch $20 Millionen.
– Apollo wird “geopfert” für die Nachfolgemissionen.
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Ausblick
•
•
•
•
Übergang zu Computerviren und Risiken im Umgang mit dem Computer.
Danach: die Anfänge des Space Shuttle.
Vorbereitungslektüre [Hep02].
Faszinierend: http://www.pbs.org/wgbh/nova/tothemoon/hear.html
Buzz Aldrin, Jim Lovell, Eugene Cernan, Gene Kranz und andere berichten über ihre
Erfahrungen in den bemannten Raumfahrtprogrammen (Mitschnitte von Radiosendungen).
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Literatur
[All00]
Jonathan Allday. Apollo in Perspective: Spaceflight then and now. Institute of Physics Publishing, 2000.
[Cha94] Andrew Chaikin. A Man on the Moon: The Triumphant Story of the Apollo Space Program. Penguin Books,
1994.
[Hep02] T. A. Heppenheimer. The Space Shuttle Decision 1965–1972, volume 1 of History of the Space Shuttle.
Smithsonian Institution Press, Washington and London, 2002.
[Kel01]
Thomas J. Kelly. Moon Lander: How we developed the Apollo lunar module. Smithsonian, 2001.
[Tom88] James E. Tomayko. Computers in Spaceflight: The NASA Experience. Number NASA Contractor Report
182505. NASA History Office, March 1988.

Apollo, Spaceshuttle, Melissa und Google: Fallstudien in

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